某型附件慢車轉速振動故障分析研究

李瑞宣 蔣一博 簡欣 李繼安／四達機械制造公司

1 故障情況

某型燃油泵調節器性能復試過程中，當操縱軸調整轉速進入慢車狀態（1700 ～2300r/min）時，燃油泵調節器發生振動，隨著操縱軸調整轉速繼續上升至2700r/min，振動消失。分解檢查燃油泵調節器，無異常現象。

2 故障分析

根據燃油泵調節器故障情況，分析可能造成該故障的原因，列出如圖1 所示的故障樹。初步分析，燃油泵調節器慢車轉速狀態振動值大主要由與轉速相關的零組件引起，主要有轉子組件、斜盤組件、轉速傳感器及傳動軸等。分解油泵組件進行檢查，未發現異常，測量相關數據，轉子柱塞的配合間隙符合工藝要求，因此排除轉子和柱塞間隙超差的可能。該型燃油泵調節器在修理中部分零件結構陸續進行了改進，可能出現新舊兩種結構形式，為此更換為原廠新品斜盤和傳感器組件，按工藝裝配后進行試驗，故障復現，因此排除斜盤殼體新舊結構差異和轉速傳感器傳動失效的可能。對傳動軸進行故障檢查，花鍵傳動齒未發現異常，因此排除傳動軸花鍵傳動失效的可能。采取逐項零組件更換的試驗，在更換傳動軸進行裝配試驗后故障現象消失，因此故障原因定位在傳動軸。

3 傳動軸檢查情況

發動機附件傳動機匣與傳動軸齒輪嚙合，根據發動機工作狀態，通過傳動軸帶動燃油泵調節器的轉子組件轉動，轉子端面與分油盤相對高速運轉，通過柱塞孔容積的改變，完成燃油的吸入和擠出，從而實現燃油流量的調節功能。

依據工藝規程對傳動軸進行再次檢查。通過10 倍放大鏡目視檢查，傳動軸無硬化、碰傷、銹蝕；傳動軸與轉子尾桿以及發動機傳動機匣嚙合的方向未出現磨損、點蝕或壓傷。檢查結果均符合工藝要求。

圖1 故障樹

查閱相關文獻，傳動軸自身的對中性不好，在工作過程中可能引發此類振動現象[1-4]。但是，故檢工藝規程中并沒有給出傳動軸的直線輪廓檢查要求，且該傳動軸為原廠零件，無相關圖紙說明，造成該傳動軸的直線輪廓故檢項目未被納入工藝檢查要求中。

采用輪廓測量儀測量該傳動軸中間區域60cm 長度的直線度輪廓（見圖2），現場選擇3 件在修的傳動軸進行測量對比，結果如表1 所示，發現故障傳動軸的對中性不好，傳動軸彎曲最高點與中心軸線的距離（撓度）為0.0057mm，而其他3 件傳動軸的平均測量值為0.003mm。更換故障傳動軸后故障現象消失，因此傳動軸發生微量彎曲是引起上述故障的主要原因。

圖2 輪廓測量儀檢查傳動軸

表1 測量結果

4 傳動軸彎曲分析

傳動軸一端與發動機后附件傳動機匣的花鍵嚙合，另一端與燃油泵調節器轉子組件的花鍵嚙合，傳動軸受后附件傳動機匣驅動，在發動機不同的工作狀態下帶動燃油泵調節器工作。故障傳動軸可能因個體制造質量，在長期使用以及傳動交變扭力等作用下，其中部出現微量變形，導致軸的對中性變差，產生了彎曲撓度。

5 傳動軸臨界轉速分析

當傳動軸的轉速接近其固有振動頻率時，傳動軸振幅急劇增加，會產生共振現象，此時的轉速為傳動軸的臨界轉速。如果傳動軸的轉速停滯在臨界轉速附近，軸的變形會迅速增大，嚴重時可能導致傳動軸斷裂，從而造成嚴重后果。

根據傳動軸的工作狀態建立雙鉸支軸模型，如圖3 所示。

假設傳動軸質量為m，材料不均勻或制造有誤差且未經平衡，其質心c 與軸線間的偏心距為e。當該傳動軸以角速度ω轉動時，由于離心力而產生撓度y，則旋轉時的離心力為[5]：

與離心力對抗的就是傳動軸彎曲變形后產生的彈性反力。當軸的撓度為y時，此彈性反力為：

式中，k為傳動軸的彎曲剛度。根據平衡條件得：

可求得軸的撓度：

當傳動軸的角速度ω由0 逐漸增大時，式（4）的分母隨之減小，故y值隨ω的增大而增大。在沒有阻尼的情況下，當k/mω2趨近于1 時，則撓度y趨近于無窮大。這就意味著軸會產生極大的變形而導致破壞。此時對應的角速度稱為軸的臨界角速度，以ωc表示：

式（5）右側恰為軸的自振角頻率，表明軸的臨界角速度等于其自振角頻率。由式（5）可知，軸的臨界角速度只與軸的剛度k和質量m有關，而與偏心距e值無關。

軸的剛度：

式（6）中，g為重力加速度，y0為軸的靜撓度，臨界角速度又可以寫為：

由式（7）可求得雙鉸支軸不計軸質量的一階臨界轉速：

由公式（7）和（8）可知，臨界轉速與撓度成反比關系，即臨界轉速

根據圖4 可以得出，傳動軸彎曲產生撓度后，隨著撓度的增加，傳動軸自身的臨界轉速n減小。由檢查情況可知，故障傳動軸最大彎曲測量結果為0.0057mm，高于在修的其他傳動軸，因此該故障傳動軸的臨界速度較低。

6 結論

1）正常情況下，當傳動軸彎曲變形的程度（撓度）較小時，其自身的臨界轉速遠高于工作轉速；但因故障導致傳動軸彎曲變形程度（撓度）增大，傳動軸臨界轉速可能減小到1700 ～2300r/min 區間，當燃油泵調節器工作轉速達到1700r/min 時，傳動軸會帶動燃油泵調節器開始振動，當達到2300r/min 附近時傳動軸的振幅急劇增加，此時燃油泵調節器的振動達到最大，隨著轉速的繼續增加，振動現象消失。

2）傳動軸因個體制造質量以及受傳動交變扭力作用，發生了彎曲變形，撓度增大，導致傳動軸臨界轉速降低，最終使燃油泵調節器出現振動。如果傳動軸長時間工作在該轉速附近，將造成軸的彎曲變形更加明顯，嚴重時可能造成傳動軸斷裂。

圖3 雙鉸支軸模型

圖4 臨界轉速n與撓度y反比關系

3）對現場在修的多臺燃油泵調節器進行檢查，均未出現此故障，傳動軸直線輪廓測量值均小于0.004mm。后續對對燃油泵調節器的傳動軸進行針對性測量檢查，如果發現傳動軸直線輪廓測量值大于0.004mm 的，將進行換件。未來將繼續收集、統計與振動相關的附件轉速范圍和傳動軸直線輪廓數據，以做進一步的研究。